致病岛改造成抗菌无人机 有望治疗葡萄球菌感染

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近年来,在医学微生物学领域中,出现一个有趣的名字——致病岛(pathogenicity islands,PAI,又称毒力岛)。每一种病原菌或病毒的致病因子都有一个原核基因体的特殊编码区,该区域为致病岛。它的形成主要为细菌通过基因体水平转移,从一种病原菌转移到另一种细菌中,细菌的遗传物质也随之从该基因体转移到另一种细菌,形成一种混合实体(hybrid entity),并且组成新的基因岛(genomic island),进而使细菌在短期内发生质和量的变化,产生许多新的变种,该演变是细菌演化的关键。

近日,纽约大学医学院的研究团队发现,从病毒演化而来的“基因岛”能变为“抗菌无人机”(antibacterial drones, ABDs),然后透过该无人机阻止金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)感染小鼠。该细菌容易对抗生素产生抗药性,进而威胁到医院护理的安全。该研究刊登于《Nature Biotechnology》期刊上。

该研究团队透过高度移动性的葡萄球菌致病岛(highly mobile staphylococcal pathogenicity islands, SaPIs)的基因工程化,用抗菌基因取代了 SaPIs 的致病基因,进而塑造类似于无人机的载体,为细菌群体运送基因负荷(genetic payload)。然后,他们使用该无人机治疗被葡萄球菌感染的小鼠,接着杀死该细菌,进而治疗小鼠的感染。

他们也建构了包含 CRISPR-Cas9 杀菌或 CRISPR – dcas9 毒力阻断模块(virulence-blocking module)的 ABDs,其中该模块包含溶葡萄球菌酶(lysostaphin)、Spa 反义(antisense)、QS 抑制、TA 系统毒素(Toxins of TA systems)、生物膜抑制(biofilm inhibition)。接着,透过二种 ABDs 都阻断了小鼠皮下金黄色葡萄球菌脓肿的发展,并且借由腹腔注射杀死金黄色葡萄球菌来拯救小鼠。

该论文共同通讯作者 Richard P. Novick 博士表示,他们的无人机系统不会像抗生素那样扰乱患者的微生物组(肠道中的微生物混合物),毕竟微生物组中的一些物种(益生菌)对人体消化和整体健康是非常重要的。此外,因为葡萄球菌会影响乳牛产生牛奶的品质和数量,因此他们正预备在乳牛中测试他们的“无人机“是否能帮助乳牛抵抗葡萄球菌感染,若能呈现不错的效果,未来将预备进行治疗遭葡萄球菌感染的人体临床试验。

小常识:
金黄色葡萄球菌会存在于一些健康人类的鼻腔内和皮肤表面上,某些带菌者是没有特别症状的。但是,当人类免疫系统较差时,该病菌可能会感染他们的皮肤、伤口、尿道、严重时会感染肺部造成肺炎或感染器官造成败血症,甚至死亡。然而,用于抵抗葡萄球菌的抗生素的效果越来越差,其原因在于越来越多的菌株已经对各种抗生素产生耐药性。鉴于数十年的抗生素过度使用,许多葡萄球菌感染现已无法治愈,该领域迫切寻求新的方法来抵抗感染。
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参考资料:
1. Nature Biotechnology, 2018; DOI: 10.1038/nbt.4203
2. https://www.xueshu.com/zhjyyx/200606/26652618.html
3. https://www.infectioncontroltoday.com/antibiotics-antimicrobials/dna-islands-are-effective-antibacterial-drones

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